Multisensorische Messung der Geometrie von Großverzahnungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Bedarf an skalierbaren Messsystemen zur umfangreichen Messung der Geometrie von Verzahnungen, insbesondere Großverzahnungen, wächst. Ziel dieses Vorhabens war es daher, ein skalierbares modellbasiertes Multi-Sensor-System für Großverzahnungsmessungen einzuführen. Als grundlegender Formparameter sollte der mittlere Grundkreisradius mit einer Messunsicherheit < 5 µm (k = 1) bestimmt werden. Der Grundkreisradius korreliert mit dem klassischen Verzahnungsparameter Profilwinkelabweichung. Mittels eines parametrischen Geometriemodells einer Evolvente wurde der Grundkreisradius iterativ aus den Messdaten einer Verzahnungsmessung ausgewertet. Zur Messung der Geometrie von Großverzahnungen wurden zwei skalierbare Multi-Sensor-Ansätze (statisch: n ≥ 4 Abstandssensoren, dynamisch: n ≥ 1 Abstandssensoren in Kombination mit einem Drehtisch) konzipiert und hinsichtlich der erreichbaren Messunsicherheit untersucht. Theoretische Untersuchungen zeigten, dass die Verwendung mehrerer Sensoren bzw. die Erfassung vieler Messpunkte die erreichbare Messunsicherheit signifikant reduzieren. Unabhängig von der Größe der Verzahnung, verifizierten Simulationen eine Messunsicherheit < 5 µm. Experimente im Labormaßstab zeigten, dass durch eine Sensoranordnung tangential am Nenngrundkreis einer Verzahnung Sensoren mit geringen Akzeptanzwinkel verwendet werden können. Auch ist durch den Einsatz kommerzieller Triangulationssensoren und konfokal-chromatischen Sensoren die Verzahnungsmessung ohne Retroreflektoren möglich. Die Messunsicherheit wird dabei maßgeblich zufällig durch die Wechselwirkung der Sensoren mit der Oberflächentopografie beeinflusst. Konfokal-chromatische Sensoren zeigen hier großes Potential und erfassen die Zahnflankenform mit einstelliger µm-Unsicherheit. Aufgrund der Unkenntnis der exakten Sensoranordnung wurde das Multi-Sensor-System mittels eines bekannten Zahnrads kalibriert, um systematische Messabweichungen zu reduzieren. Daraufhin konnten der mittlere Grundkreisradius als auch zahnindividuelle Grundkreisradien mit einer Messunsicherheit < 5 µm erfasst werden. Auf Basis des mathematischen Zusammenhangs zwischen Grundkreisradius und Profilwinkelabweichung ließ sich zudem die Profilwinkelabweichung mit einer Unsicherheit < 2 µm quantifizieren. Großverzahnungsmessungen ergaben, dass der mittlerer Grundkreisradius derzeit nicht mit der hier angestrebten Unsicherheit < 5 µm erfasst werden kann. Unbekannte systematische Abweichungen dominieren die gesamte Messunsicherheit und konnten nicht mit der im Projekt konzipierten Kalibrierstrategie korrigiert werden. Wenngleich die Skalierbarkeit des modellbasierten Multi-Sensor-Systems im Rahmen des Projekts noch nicht experimentell bestätigt werden konnte, so attestieren Simulationen und die in Experimenten erzielte zufällige Messabweichung < 3 µm das vorhandene Potential des Multi-Sensor-Ansatzes für Großverzahnungsmessungen. Gegenüber taktilen Messverfahren konnte mit dem Multi-Sensor-Messansatz die Messdauer bei einer umfangreichen Messung aller Zähne bereits um den Faktor 15 (bei n = 1 Sensor in Kombination mit dem verwendeten Drehtisch) reduziert werden. Wird die Sensoranzahl n gesteigert, lässt sich die Messdauer weiter reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Multisensory measurement of the base circle radius as a fundamental shape parameter of large gears. International Conference on Gears, München, 18.- 20.9.2019, pp. 1207-1214
M. Pillarz, A. von Freyberg, A. Fischer
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Combined partitioning and approximation for optimized gear inspection. 20th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (EUSPEN), E-conference, 8.-12.6.2020, pp. 289-290
A. von Freyberg, A. Fischer
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Determination of the mean base circle radius of gears by optical multi-distance measurements. Journal of Sensors and Sensor Systems 9(2):273–282, 2020
M. Pillarz, A. von Freyberg, A. Fischer
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Gear shape parameter measurement using a model-based scanning multi-distance measurement approach. Sensors 20(14):3910 (16 pp.), 2020
M. Pillarz, A. von Freyberg, A. Fischer
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Optical multi-distance measurements of spur gears. Sensor and Measurement Science International (SMSI 2020), Proceedings, 2020, No. C6.4, pp. 193-194
M. Pillarz, A. von Freyberg, A. Fischer
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Gear Shape Measurement Potential of Laser Triangulation and Confocal-Chromatic Distance Sensors. Sensors 21(3):937 (22 pp.), 2021
M. Pillarz, A. von Freyberg, D. Stöbener, A. Fischer
